FR3051043A1 - METHOD FOR DETECTING A ROTATION STATE OF A MECHANICAL ASSEMBLY COMPRISING A ROTATING MEMBER - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé prévoyant une analyse préalable d'identification d'une signature fréquentielle caractéristique de l'état de rotation sur un tour de rotation de l'organe tournant, et les étapes itératives de : mesure de l'accélération tangentielle (A) en au moins un emplacement de la périphérie de l'organe tournant (1) ; échantillonnage de ladite mesure pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de l'accélération tangentielle (A) de l'organe tournant (1); analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la variation de l'accélération tangentielle instantanée (A) de l'organe tournant (1); surveillance de l'énergie du spectre pour la signature caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l'apparition de l'état de rotation correspondant.The invention relates to a method comprising a prior identification analysis of a characteristic frequency signature of the state of rotation on a rotation turn of the rotating member, and the iterative steps of: measuring the tangential acceleration (A ) at least one location of the periphery of the rotating member (1); sampling said measurement to obtain a sampled signal which is representative of the instantaneous variation of the tangential acceleration (A) of the rotating member (1); harmonic analysis of the sampled signal to obtain a spectrum of the variation of the instantaneous tangential acceleration (A) of the rotating member (1); monitoring the spectrum energy for the characteristic signature so as to depend on said energy, to deduce the occurrence of the corresponding rotational state.
Description
L’invention concerne un procédé de détection d’un état de rotation d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, ainsi qu’une application d’un tel procédé au diagnostic embarqué d’une défaillance dudit ensemble mécanique qui correspond à l’état de rotation détecté. L’invention concerne également un ensemble mécanique comprenant un organe tournant et un dispositif de détection d’un état de rotation dudit ensemble par mise en œuvre d’un tel procédé, notamment pour une telle application.The invention relates to a method for detecting a state of rotation of a mechanical assembly comprising a rotating member, and an application of such a method to the on-board diagnosis of a failure of said mechanical assembly which corresponds to the state. rotation detected. The invention also relates to a mechanical assembly comprising a rotating member and a device for detecting a state of rotation of said assembly by implementing such a method, in particular for such an application.
En particulier, l’invention peut être mise en œuvre pour le diagnostic d’une défaillance d’un palier de guidage en rotation d’un arbre tournant. En variante, l’invention peut être mise en œuvre pour diagnostiquer la défaillance d’un autre organe, y compris fixe, d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant.In particular, the invention can be implemented for the diagnosis of a failure of a guide bearing in rotation of a rotating shaft. Alternatively, the invention can be implemented to diagnose the failure of another member, including fixed, of a mechanical assembly comprising a rotating member.
De façon avantageuse, l’ensemble mécanique est utilisé dans un domaine technique nécessitant un organe tournant à faible vitesse et/ou de grande dimension, tel qu’en particulier le domaine éolien.Advantageously, the mechanical assembly is used in a technical field requiring a rotating member at low speed and / or large, such as in particular the wind field.
On connaît du document WO-2010/122240 un procédé de détection d’un défaut structurel, notamment à des fins de diagnostic, dans lequel un spectre de la vitesse instantanée de l’organe tournant est surveillé à au moins une fréquence caractéristique de l’apparition du défaut.Document WO-2010/122240 discloses a method for detecting a structural defect, in particular for diagnostic purposes, in which a spectrum of the instantaneous speed of the rotating member is monitored at at least one characteristic frequency of the appearance of the defect.
Pour ce faire, l’organe tournant doit être instrumenté avec un codeur comprenant une piste annulaire multipolaire, un capteur fixe étant disposé en regard et à distance de lecture de ladite piste multipolaire pour mesurer la vitesse instantanée de rotation dudit organe.To do this, the rotating member must be instrumented with an encoder comprising a multipolar annular track, a fixed sensor being disposed opposite and at a reading distance from said multipolar track to measure the instantaneous speed of rotation of said member.
Toutefois, dans certains domaines techniques, l’instrumentation de l’organe tournant s’avère problématique, notamment en relation avec des organes tournants de grande dimension, en particulier s’agissant de la contrainte de continuité d’une piste multipolaire de grand diamètre. L’invention vise à perfectionner l’art antérieur en proposant notamment un procédé de détection d’un état de rotation d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, ledit procédé étant particulièrement adapté au diagnostic embarqué d’une défaillance dudit ensemble mécanique et ne nécessitant pas une instrumentation complexe de l’organe tournant, notamment relativement à un organe tournant de grande dimension. A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de détection d’un état de rotation d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, ledit procédé prévoyant une analyse préalable d’identification d’une signature fréquentielle caractéristique de l’état de rotation sur un tour de rotation dudit organe, et les étapes itératives de : - mesure de l’accélération tangentielle en au moins un emplacement de la périphérie de l’organe tournant ; - échantillonnage de ladite mesure pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de l’accélération tangentielle de l’organe tournant ; - analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la variation de l’accélération tangentielle instantanée de l’organe tournant ; - surveillance de l’énergie du spectre pour la signature caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l’apparition de l’état de rotation correspondant.However, in certain technical fields, the instrumentation of the rotating member proves problematic, particularly in relation to large rotating members, in particular with regard to the continuity constraint of a multipole track of large diameter. The invention aims to improve the prior art by proposing in particular a method for detecting a state of rotation of a mechanical assembly comprising a rotating member, said method being particularly adapted to the on-board diagnosis of a failure of said mechanical assembly and not not requiring complex instrumentation of the rotating member, in particular relative to a rotating member of large size. For this purpose, and according to a first aspect, the invention proposes a method for detecting a state of rotation of a mechanical assembly comprising a rotating member, said method providing for a prior identification analysis of a frequency signature characteristic of the state of rotation on a rotational turn of said member, and the iterative steps of: measuring the tangential acceleration at at least one location of the periphery of the rotating member; sampling said measurement to obtain a sampled signal which is representative of the instantaneous variation of the tangential acceleration of the rotating member; harmonic analysis of the sampled signal to obtain a spectrum of the variation of the instantaneous tangential acceleration of the rotating member; monitoring the spectrum energy for the characteristic signature so that, as a function of said energy, it is possible to deduce the occurrence of the corresponding state of rotation.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose une application d’un tel procédé au diagnostic embarqué d’une défaillance d’un ensemble mécanique qui correspond à l’état de rotation détecté.According to a second aspect, the invention proposes an application of such a method to the on-board diagnosis of a failure of a mechanical assembly that corresponds to the state of rotation detected.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un ensemble mécanique comprenant un organe tournant et un dispositif de détection d’un état de rotation dudit ensemble par mise en oeuvre d’un tel procédé, notamment pour une telle application. D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures 1 et 2 jointes qui représentent de façon schématique la mise en œuvre de l’invention selon respectivement un mode de réalisation.According to a third aspect, the invention proposes a mechanical assembly comprising a rotating member and a device for detecting a state of rotation of said assembly by implementing such a method, in particular for such an application. Other objects and advantages of the invention will appear in the description which follows, with reference to FIGS. 1 and 2 attached, which diagrammatically represent the implementation of the invention according to one embodiment respectively.
En relation avec ces figures, on décrit ci-dessous un ensemble comprenant un organe tournant 1 et un dispositif de détection d’un état de rotation dudit ensemble. Dans une conception particulière, l’ensemble mécanique comprend un palier à roulement formé d’un support tournant, d’un support fixe et d’au moins une rangée de corps roulants disposée entre lesdits supports pour permettre leur rotation relative.In relation to these figures, an assembly comprising a rotating member 1 and a device for detecting a state of rotation of said assembly is described below. In a particular design, the mechanical assembly comprises a rolling bearing formed of a rotating support, a fixed support and at least one row of rolling bodies disposed between said supports to allow their relative rotation.
En outre, un arbre tournant de l’ensemble mécanique peut être associé au support tournant pour être guidé en rotation. De façon avantageuse, l’ensemble mécanique peut être embarqué dans une éolienne, notamment en prévoyant que l’arbre supporte les pales en rotation.In addition, a rotating shaft of the mechanical assembly can be associated with the rotating support to be guided in rotation. Advantageously, the mechanical assembly can be embedded in a wind turbine, in particular by providing that the shaft supports the blades in rotation.
Toutefois, l’invention peut s’appliquer à la détection d’un état de rotation d’un autre type d’ensemble mécanique comprenant un organe tournant 1 et/ou dans un autre domaine technique.However, the invention can be applied to the detection of a state of rotation of another type of mechanical assembly comprising a rotating member 1 and / or in another technical field.
En particulier, l’état de rotation à détecter peut apparaître du fait des contraintes mécaniques induites par la rotation de l’organe tournant 1, notamment en induisant des micro-variations de vitesse de rotation de l’organe tournant 1. Ainsi, le procédé permet de diagnostiquer une défaillance de l’ensemble mécanique pour, en assurant une maintenance prédictive, alerter d’une panne dudit ensemble. En particulier, le procédé permet la détection d’états de roulement qui peuvent être induits notamment par une défaillance d’un palier, d’une roue d’engrenage, d’un montage incorrect de l’arbre tournant ou de la présence d’un balourd.In particular, the state of rotation to be detected may appear due to the mechanical stresses induced by the rotation of the rotating member 1, in particular by inducing micro-variations in rotational speed of the rotating member 1. Thus, the method allows to diagnose a failure of the mechanical assembly for providing predictive maintenance, alerting a failure of said assembly. In particular, the method allows the detection of rolling conditions that can be induced in particular by a failure of a bearing, a gear wheel, an incorrect assembly of the rotating shaft or the presence of an imbalance.
Par exemple, dans le cas d’un palier à roulement, l’état de rotation peut être induit par un défaut du palier, notamment un écaillage de la piste de roulement du support fixe, du support tournant et/ou des corps roulants. Dans le cas d’un ensemble mécanique comprenant un arbre tournant, l’état de rotation peut être induit par un défaut structurel formé sur le mécanisme d’engrenage dudit arbre.For example, in the case of a rolling bearing, the rotational state may be induced by a bearing failure, including chipping of the rolling track of the fixed support, the rotating support and / or rolling bodies. In the case of a mechanical assembly comprising a rotating shaft, the state of rotation can be induced by a structural defect formed on the gear mechanism of said shaft.
Le procédé de détection prévoit une analyse préalable d’identification d’une signature fréquentielle caractéristique de l’apparition de l’état de rotation sur un tour de rotation de l’organe tournant 1. Selon une réalisation, il prévoit l’identification préalable de plusieurs signatures fréquentielles qui correspondent chacune à un type d’état de rotation à détecter.The detection method provides a prior identification analysis of a frequency signature characteristic of the appearance of the state of rotation on a rotation turn of the rotating member 1. In one embodiment, it provides for the prior identification of several frequency signatures which each correspond to a type of rotational state to be detected.
En particulier, l’analyse peut être réalisée par étude géométrique de l’ensemble mécanique, en particulier à partir des relations cinématiques entre les différents composants mécaniques dudit ensemble, de sorte à localiser au moins une fréquence identifiant chacun des états de rotation susceptibles de se produire.In particular, the analysis can be carried out by geometric study of the mechanical assembly, in particular from the kinematic relations between the different mechanical components of said assembly, so as to locate at least one frequency identifying each of the rotational states likely to occur. produce.
Après l’identification des signatures fréquentielles caractéristiques des états de rotation qui sont susceptibles de se produire, le procédé prévoit des étapes itératives de détection de l’état de rotation correspondant à l’une de ces signatures caractéristiques. En variante, le procédé peut être mis en oeuvre pour détecter chacun des états de rotation susceptibles de se produire.After the identification of the characteristic frequency signatures of the rotational states that are likely to occur, the method provides iterative steps for detecting the state of rotation corresponding to one of these characteristic signatures. Alternatively, the method may be implemented to detect each of the rotational states that may occur.
Le procédé prévoit la mesure de l’accélération tangentielle A en au moins un emplacement de la périphérie de l’organe tournant 1. En effet, si la vitesse instantanée de rotation évolue, notamment du fait d’un défaut, l’accélération tangentielle A fera de même alors que l’accélération radiale ne sera pas affectée puisqu’elle résulte de la force centrifuge et de la pesanteur.The method provides measurement of the tangential acceleration A at at least one location of the periphery of the rotating member 1. In fact, if the instantaneous speed of rotation changes, in particular because of a defect, the tangential acceleration A will do the same while the radial acceleration will not be affected since it results from centrifugal force and gravity.
En outre, la mesure à la périphérie de l’organe tournant 1 permet d’améliorer la sensibilité obtenue, notamment en relation avec des micro-variations d’accélération tangentielle A, et donc une détection plus fine des états de rotation pertinents.In addition, the measurement at the periphery of the rotating member 1 makes it possible to improve the sensitivity obtained, especially in relation to micro-variations of tangential acceleration A, and therefore a more precise detection of the relevant rotation states.
Selon une réalisation avantageuse, la mesure peut être réalisée au moyen d’au moins un accéléromètre 2 qui est fixé en un emplacement de la périphérie de l’organe tournant 1. En variante, au moins un gyroscope peut être utilisé pour obtenir l’accélération tangentielle A par l’intermédiaire de la mesure de la vitesse angulaire de l’organe tournant 1.According to an advantageous embodiment, the measurement can be carried out by means of at least one accelerometer 2 which is fixed at a location on the periphery of the rotating member 1. Alternatively, at least one gyroscope can be used to obtain the acceleration Tangential A through the measurement of the angular velocity of the rotating member 1.
Pour permettre la transmission des mesures, l’accéléromètre 2 et/ou le gyroscope peut être équipé d’un module radiofréquence de communication avec le dispositif de détection. L’accéléromètre 2 et/ou le gyroscope peut être de type MEMS (pour Micro Electro-Mechanical Systems en anglais) qui présente l’avantage d’être peu cher et peu encombrant.To enable the transmission of the measurements, the accelerometer 2 and / or the gyroscope may be equipped with a radio frequency module for communication with the detection device. The accelerometer 2 and / or the gyroscope can be MEMS (for Micro Electro-Mechanical Systems in English) which has the advantage of being inexpensive and compact.
En relation avec la figure 1, un accéléromètre 2 est fixé sur la périphérie de l’organe tournant 1, la mesure effectuée par ledit accéléromètre comprenant une sinusoïde S correspondant à l’accélération tangentielle A induite par la gravité qui est additionnée d’une perturbation périodique P correspondant à un état de rotation à détecter.In relation with FIG. 1, an accelerometer 2 is fixed on the periphery of the rotating member 1, the measurement made by said accelerometer comprising a sinusoid S corresponding to the tangential acceleration A induced by the gravity which is added with a disturbance periodic P corresponding to a rotational state to be detected.
Selon une réalisation avantageuse, le procédé prévoit la mesure de l’accélération tangentielle A en au moins deux emplacements de la périphérie de l’organe tournant 1. En relation avec la figure 2, deux accéléromètres 2 sont fixés sur des emplacements diamétralement opposés sur la périphérie de l’organe tournant 1.According to an advantageous embodiment, the method provides the measurement of the tangential acceleration A in at least two locations of the periphery of the rotating member 1. In relation with FIG. 2, two accelerometers 2 are fixed on diametrically opposite locations on the periphery of the rotating member 1.
Ainsi, en effectuant le différentiel des mesures de chacun de ces accéléromètres 2, on s’affranchit de la contribution de la gravité et des vibrations axiales pour obtenir une mesure ne comportant plus que la contribution liée à la perturbation de l’accélération tangentielle A qui correspond à l’état de rotation à détecter, ce qui permet notamment d’améliorer la sensibilité de la mesure.Thus, by performing the differential of the measurements of each of these accelerometers 2, the contribution of the gravity and the axial vibrations is freed from the contribution of a measurement comprising only the contribution related to the disturbance of the tangential acceleration A which corresponds to the rotational state to be detected, which in particular makes it possible to improve the sensitivity of the measurement.
Pour ce qui est de leur fixation à un emplacement de la périphérie de l’organe tournant 1, elle peut être réalisée en disposant chacun des accéléromètres 2 dans un boîtier maintenu autour dudit organe, notamment au moyen d’un simple collier si l’accélération centrifuge n’est pas trop importante.As regards their attachment to a location of the periphery of the rotating member 1, it can be achieved by placing each of the accelerometers 2 in a housing held around said member, in particular by means of a simple collar if the acceleration Centrifugal is not too important.
Le procédé prévoit en outre un échantillonnage, notamment temporel mais qui peut également être angulaire, de la mesure de l’accélération tangentielle A pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de l’accélération tangentielle A de l’organe tournant 1. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le différentiel des mesures est échantillonné pour obtenir le signal représentatif de la variation instantanée de l’accélération tangentielle A de l’organe tournant 1.The method furthermore provides sampling, in particular time but which may also be angular, of the measurement of the tangential acceleration A to obtain a sampled signal which is representative of the instantaneous variation of the tangential acceleration A of the rotating member 1 In the embodiment of FIG. 2, the differential of the measurements is sampled to obtain the signal representative of the instantaneous variation of the tangential acceleration A of the rotating member 1.
Ensuite, le procédé prévoit de réaliser une analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la variation instantanée de l’accélération tangentielle A. Selon une réalisation, l’analyse harmonique est réalisée par transformée de Fourier discrète (TFD), par exemple rapide (FFT), du signal échantillonné.Then, the method provides for performing a harmonic analysis of the sampled signal to obtain a spectrum of the instantaneous variation of the tangential acceleration A. According to one embodiment, the harmonic analysis is performed by discrete Fourier transform (DFT), for example fast (FFT), the sampled signal.
Le procédé prévoit une surveillance de l’énergie du spectre pour la signature fréquentielle caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l’apparition de l’état de rotation correspondant. En particulier, la signature peut comprendre au moins une fréquence caractéristique de l’apparition de l’état de rotation de l’organe tournant 1.The method provides spectrum energy monitoring for the characteristic frequency signature so that, depending on said energy, it is possible to deduce the occurrence of the corresponding state of rotation. In particular, the signature may comprise at least one characteristic frequency of the appearance of the state of rotation of the rotating member 1.
Selon une réalisation, l’énergie du spectre peut être surveillée pour chacune parmi plusieurs signatures caractéristiques de sorte à en déduire l’apparition des états de rotation correspondant à chacune de ces signatures.According to one embodiment, the energy of the spectrum can be monitored for each of several characteristic signatures so as to deduce the occurrence of rotational states corresponding to each of these signatures.
Cette surveillance peut être réalisée dans une fenêtre comprenant au moins une fréquence caractéristique et/ou à au moins une harmonique de cette fréquence. En particulier, lorsque plusieurs états de rotation doivent être détectés chacun au moyen d’une signature caractéristique, les fréquences surveillées doivent être différentes pour pouvoir discriminer chacun des états. L’apparition de l’état de rotation peut être détectée pour une valeur de l’amplitude d’au moins une fréquence caractéristique du spectre qui est supérieure à un seuil. En outre, on peut prévoir une quantification de l’état de rotation en fonction de l’amplitude et/ou de la forme du spectre pour la signature caractéristique.This monitoring can be performed in a window comprising at least one characteristic frequency and / or at least one harmonic of this frequency. In particular, when several rotational states must each be detected by means of a characteristic signature, the frequencies monitored must be different in order to be able to discriminate between each of the states. The occurrence of the rotational state can be detected for a magnitude value of at least one characteristic frequency of the spectrum that is greater than a threshold. In addition, it is possible to provide a quantization of the state of rotation as a function of the amplitude and / or the shape of the spectrum for the characteristic signature.
La mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus trouve particulièrement son application au diagnostic embarqué d’une défaillance de l’ensemble mécanique qui correspond à l’état de rotation détecté. En particulier, le procédé peut détecter tout état de rotation anormal afin d’en déduire une défaillance de fonctionnement de l’ensemble mécanique.The implementation of the method described above is particularly applicable to the on-board diagnosis of a failure of the mechanical assembly that corresponds to the detected rotational state. In particular, the method can detect any abnormal rotation state in order to deduce a malfunction of the mechanical assembly.
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